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주요 연구성과

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김성환·박지용 교수, 단백질 기반의 ‘마찰전기 수확소자’ 개발 위치 확인

우리 학교 연구진이 실크 단백질을 활용해 피부로부터 마찰전기를 높은 효율로 얻어낼 수 있는 에너지 소자를 개발했다. 이에 따라 헬스케어 분야의 원천 기술을 확보함과 동시에 천연 소재의 새로운 활용 가능성을 높이게 됐다. 우리 학교 김성환·박지용 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)는 5일 피부나 옷감에 붙여 이들의 진동에 따라 생성된 마찰전기를 고효율로 수확할 수 있는 전자소자를 구현했다고 밝혔다. 이번에 개발한 전자소자는 생체친화 소재로, 높은 인장력과 탄성을 지닌 섬유로 관심을 받아온 실크 단백질을 활용했다는데 그 의의가 있다. 해당 연구는 에너지 분야 저명 학술지인 에 6월 1일자로 온라인 게재됐다. 논문의 제목은 이다. 신체 조직에 부착이 가능한 전자·광학 소자는 차세대 헬스케어 소자로 주목받으면서 현재 전 세계적으로 관련 연구가 활발히 진행 중이다. 생체신호를 직접 읽고 분석할 수 있기 때문인데, 이를 위해서는 생체조직과 같이 유연하고 늘릴 수 있는 전자소자가 필요하다. 앞서 많은 연구팀들이 유연 기판에 전극과 전자소자를 집적해 다양한 인체 신호를 읽고 분석하는 소자들을 보고한 바 있다. 이는 피부를 인공적으로 모방한 전자소자라는 개념으로 해석돼 ‘전자피부’라 불리고 있다. 그러나 이들 전자소자가 구동되려면 전기에너지 공급이 필수적이고 전자피부의 개념에서 기존의 배터리 사용이 아닌 인체로부터 직접 에너지를 수확하는 기술개발이 있어야 한다. 기술 가운데 인체의 움직임을 전기에너지로 변환할 수 있는 마찰전기 발생기가 관심받고 있다. 우리 학교 연구팀은 생체조직을 구성하는 성분 중 하나인 단백질, 그 중에서 자연에서 구할 수 있는 우수한 기계적 물성을 지닌 실크 단백질에 주목했다. 연구팀은 실크 단백질 분자수준에서의 물성개질을 위해 글리세롤을 도입해 투명하고 늘릴 수 있는 수화젤 필름을 구현했다. 수화젤은 많은 수분을 머금을 수 있는 고분자 물질인데, 고분자 분자들이 연결되면 만든 공간에 물 분자들이 들어갈 수 있고 이 때문에 말랑말랑한 물성을 지니게 된다. 우리 인체 조직도 수화젤 중 하나로 볼 수 있다. 연구팀은 새로 구현된 투명 실크필름에 은 나노와이어 전극을 집적해 안정적으로 수확된 전자들이 흐르게 했다. 또 CD의 표면을 활용해 실크 단백질 필름에 주기적인 패턴을 형성해 접촉면을 증가시켰다. 이렇게 제작된 마찰전기 수확소자는 피부에 직접 접촉시 더 좋은 성능을 보였고, 5개의 직렬연결 LED를 켤 수 있을 정도의 에너지 수확을 가능하게 했다. 이는 최초로 피부표면에 부착할 수 있는 마찰전기 에너지 수확이 가능함을 보여준 것이다. 그 외에도 광학적으로 투명하기 때문에 다른 전자기기에 부착한 터치센서, 인체의 움직임을 감지하는 동작센서로도 응용이 가능하다. 김성환·박지용 교수는 “현재 인체로부터 에너지를 수확하려는 연구는 많은 진전을 이뤘지만 생체적합성 및 생체조직과의 인터페이스 문제는 상대적으로 간과되어 왔다”며 “발상의 전환을 통해 생체 구성 성분인 단백질을 활용해 에너지 수확소자 구현이 가능하다는 것을 보여줬고, 이를 활용할 경우 생체조직과 전자소자 사이 상이한 물성 차이를 극복할 인터페이스를 제공할 수 있다”고 설명했다. 이어 “이번에 개발한 소재 기술은 바이오 소재들이 물리기반 소자 구현에도 적용될 수 있을 뿐 아니라 향후 다양한 헬스케어 소자에 적용될 수 있다”고 덧붙였다.
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서형탁 교수팀, 수소 생산 광전극 극대화…최대 97% 향상 위치 확인

우리학교 서형탁 교수(신소재공학과) 연구팀이 태양광-전류의 전환 효율이 최대 97%로 향상된 수소 생산 광전극을 개발했다. 앞서 계속된 서형탁 교수 연구팀의 연구로 태양빛을 이용한 수소 생산 기술의 실용화 시기를 앞당길 전망이다. 해당 연구는 유일한 학생(박사과정)과 샨카라 칼라누르 교수(Shankara S. Kalanur, 신소재공학과)가 공동 참여했다. 수소는 연료로 사용될 때 대기오염 없이 물만 배출하는 청정에너지원이다. 그러나 수소를 만들기 위해 화석연료를 개질하는 과정에서 온실가스인 이산화탄소를 대량 배출하는 문제가 있었다. 대안으로 전기나 태양광을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하려는 시도가 활발하지만, 효율이 낮아 실용화가 어려웠다. 연구팀은 전극에서 태양광으로 생성된 전하의 이동을 촉진함으로써, 광전류 전환 효율을 60% 수준에서 97%로 향상시켰다고 설명했다. 뿐만 아니라 수소 생산 효율도 뛰어나, 1㎠(제곱센티미터)의 광전극을 이용해 시간당 3㎎(밀리그램)의 수소 기체가 발생했다고 덧붙였다. 기존 연구들은 태양광을 흡수해 전하를 잘 생성하는 소재 개발에 치우쳤지만 이번 연구에서 전하를 양극과 음극으로 효율적으로 분리하기 위해 니켈산화물을 적층한 것이다. 빛에 의해 생성된 전하의 손실도 줄였다. 서형탁 교수는 “저가의 니켈산화물을 전하 분리 보호막으로써 고효율 나노구조 광전극에 적용했고, 최고 수준의 광전환 효율로 수소를 생산했다”며, “추가적으로 장기 광화학반응 안정성을 개선해 실용화를 목표로 연구를 지속할 예정”이라고 말했다. 이 연구 성과는 교육부·과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(기본연구, 중견연구)의 지원으로 수행됐다. 화학촉매 분야 국제학술지 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈(Applied Catalysis B: Environmental)’에 3월 16일 게재됐다.
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최진혁·강석윤 교수팀 "전이·재발된 위암, 수술 후 항암치료시 생존율 높아져" 위치 확인

위암이 전이되거나 재발한 경우 수술과 항암치료를 병행하면 생존율을 높일 수 있다는 연구결과가 우리 학교 교수팀의 연구로 발견됐다. 우리 대학병원 최진혁·강석윤 교수팀(종양혈액내과)은 지난 2004년부터 2014년까지 아주대병원에서 전이성·재발성위암으로 진단받고 1차 이상의 고식적 항암화학요법을 치료받은 환자 689명을 대상으로 생존기간과 예후를 분석해 이같은 결과를 도출했다고 밝혔다. 연구 결과 3차 이상의 항암치료를 받은 환자(167명)의 중앙생존기간은 18개월로 1~2차 항암치료만 받은 환자(515명)의 8개월보다 2배 이상 길었다. 특히 육안으로 볼 때 남아있는 병변없이 완전히 절제할 수 있었던 환자들은 중앙생존기간이 30개월로 나아졌다. 최진혁·강석윤 교수팀의 논문은 각각 국제학술지 메디신(Medicine)에 '재발성 및 전이성 위암에서 3차 항암화학요법의 역할', 네이처 자매학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 '진행성 위암에서 고식적 항암화학요법전 수술적 절제의 역할'이라는 제목으로 발표됐다. 최진혁 교수는 "위암이 대장암 등 일부 암에서와 같이 전이·재발했더라도 가능하다면 최대한 암 병변을 수술로 제거하고 적극적으로 항암치료를 받으면 생존율을 높일 수 있다"고 말했다. 이어 강석윤 교수는 "육안으로 암병변을 완전히 절제할 수 있다면 항암화학요법을 받기 전 적극적으로 수술을 고려하는 것이 바람직하다"고 덧붙였다.
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조인선 교수팀, 페로브스카이트 태양전지용 신소재 전극기술 개발 위치 확인

우리 학교 조인선 교수팀이 효율과 안정성이 높은 페로브스카이트 태양전지용 신소재 전극 기술을 개발했다. 이에 친환경 에너지 기술인 태양전지의 핵심소재 원천기술 개발과 국산화에 기여할 것으로 보인다. 조인선 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진) 연구팀은 소자의 효율과 내구성을 획기적으로 향상시킨 페로브스카이트 태양전지용 신소재 복합산화물 전극 기술을 개발했다고 밝혔다. 관련 연구 성과는 ‘Energy-level engineering of the electron transporting layer for improving open-circuit voltage in dye and perovskite-based solar cells’라는 제목으로 3월1일자에 실렸다. 태양전지는 무한한 청정 태양 에너지로부터 전기와 같은 유용한 에너지원을 뽑아 낼 수 있는 친환경 에너지 기술이다. 현재 태양전지 시장에서 90% 이상을 차지하는 실리콘 태양전지는 효율이 높지만 공정이 복잡하고 가격이 비싸다. 이에 페로브스카이트 태양전지처럼 용액공정을 이용한 저가의 차세대 에너지 개발에 대한 관심이 매우 높다. 2012년경부터 본격 연구되기 시작한 페로브스카이트 태양전지는 저가의 용액공정을 통해 21% 이상의 높은 효율을 보이고 있다. 이는 기존 실리콘 태양전지(25% 수준)에 근접한 수준으로, 페로브스카이트 태양전지가 짧은 연구 역사에도 불구하고 현재 가장 주목받고 있는 차세대 태양전지 기술이 된 이유다. 페로브스카이트 태양전지는 보통 전자 수송층(electron transporting layer, ETL)과 페로브스카이트 광흡수체(perovskite light absorber), 정공 수송층(hole transporting layer, HTL)으로 구성되어 있다. 태양광을 쬐면 광흡수체에서 발생한 전자와 정공들이 각각 전자 수송층과 정곡 수송층으로 전달·포집되어 광전류와 전압 차이를 발생시키게 된다. 일반적으로 전자 수송층 전극으로 TiO2소재가 사용되고 있으며 전자 수송과 포집에 매우 중요한 역할을 한다. 하지만 TiO2소재는 산화물 반도체로 전자 이동도가 매우 낮기 때문에 전기적 특성 향상이 제한적이며 빛에 반응하여 화학반응을 일으키는 광촉매 특성이 우수하다. 이같은 특징이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 저하시키는 요소로 작용한다는 점이 그동안 한계로 남아 있었다. 조인선 교수는 “이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 전자 수송층용 광전극 소재가 연구되어 왔지만 신규 소재들의 효율과 안정성이 매우 낮았다”며 “연구팀은 광전극으로 새로운 소재를 도입하여 이러한 문제를 푸는데 성공했다”고 말했다. 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 광전극으로 TiO2소재 대신 ‘스트론툼(Sr)이 치환된 바륨주석산화물(Ba1-xSrxSnO3)’을 도입했다. 이 물질은 전기적·광학적 특징이 매우 우수해 기존의 TiO2소재를 대체할 수 있는 유력 후보군으로 주목받아 왔다. 그러나 소재의 에너지 구조가 태양전지에 적합하지 못해 전압 손실과 광전변환 효율을 감소시킨다는 한계를 보여 왔다. 조인선 교수는 “소재의 에너지 구조를 자유롭게 조절해 태양전지에 최적화된 에너지 구조를 만들었다”며 “그 결과 개방 전압 손실을 최소화하고 21% 이상의 광전변환효율, 초기 효율 대비 96% 이상의 효율 안정성을 확보할 수 있었다”고 설명했다. 이어 “이번에 개발한 소재가 페로브스카이트 태양전지의 조기 상용화를 위한 기반기술로의 활용될 수 있을 전망”이라며 “페로브스카이트 태양전지 뿐 아니라 다른 형태의 태양전지, 배터리, 반도체 소자와 같은 다양한 에너지 생산·저장 기술 소자에 적용도 가능할 것으로 기대한다”고 덧붙였다. 이번 연구에는 조인선 아주대 교수와 석상일 울산과학기술원 교수가 교신저자로 참여했고 신성식 한국화학연구원 선임연구원이 제1저자로 함께 했다.
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서형탁 교수팀, 수소 생성 '고효율 태양광촉매 전극' 개발 위치 확인

우리 학교 서형탁(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 교수 연구팀이 '고효율 태양광촉매 전극'을 개발했다. 태양광으로 물을 분해하여 수소를 얻는 '광 전극'의 효율성과 내구성을 높이고 제작 비용을 획기적으로 낮추게 될 전망이다. 서형탁 교수 연구팀이 개발한 물질의 정식 명칭은 ‘구리-바나디움 나노 결정 산화물 기반의 고효율 태양광촉매 전극’이다. 공동연구원으로는 우리 학교 샨카라 칼라누르 교수(Shankara S. Kalanur, 신소재공학과)가 참여했다. 이번 개발은 태양광 에너지 분야에서 주목받는 소재인 '구리'를 활용했다는데 의의가 있다. 구리산화물은 태양광을 효율적으로 흡수하고 지표면상에서 쉽게 구할 수 있는 금속이기 때문에 가격 경쟁력이 있지만, 실제 태양광 흡수 이후 형성되는 전하이동효율이 떨어져 최종 효율이 낮아지는 한계가 있었다. 서 교수 연구팀은 광 전극이 용액합성으로 구리 원소를 바나디움 원소와 나노구조형상의 합금화를 통해 개발했고, 이로써 최적의 태양광 ‘입사광자변환효율’을 얻었다. 이 과정에서 합금 조성을 정밀하게 제어하는 기술이 사용됐다. 서형탁 교수는 "세 가지 다른 조성으로 개발된 나노 합금은 비록 같은 원소 구성 성분의 합금이더라도 각 원소의 조성비에 따라 태양광을 흡수하는 광학적 특성과 전하분리에 관여하는 전자구조에는 큰 차이를 보임을 전자구조 분석을 통해 규명했다"며 "이것이 태양광변환효율에 영향을 미치는 핵심 인자"라고 설명했다. 서 교수 연구팀은 정밀 조성 및 전자구조 제어를 통해 광 변환 효율을 합금 간 최대 200% 이상 개선시켰고, 본 구리기반 산화물 합금 결과에서는 기존 연구의 3% 수준과 비교해 6배 가량 개선된 약 18%의 양자효율을 얻었다. 서형탁 교수는 “저가·비 희귀 금속인 구리 복합 산화물을 기반으로 고효율 나노구조 광 전극을 얻는 정밀 합성법과 전자 구조 분석법을 개발한 것이 이번 연구의 주요 성과"라고 말했다. 한편, 이번 연구결과는 화학촉매 분야 저명 국제학술지인 ‘어플라이드 카탈리시스 B: 인바이런멘탈’ (Applied Catalysis B: Environmental, 논문인용지수(IF)=11.698, JCR 저널랭킹 상위 1%) 2월 26일자 온라인 판에 소개됐다.
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